Заняття 14. Процеси розширення ти випуску

1. Розглянути процес розширення та згорання в двигунах внутрішнього згорання, їх показники.

2. Ознайомитись із особливостями розширення газів у двигунах внутрішнього згорання.

3. Виховувати у студентів здатність до творчого мислення, прагнення до володіння знаннями, почуття відповідальності за знання теорії і матеріальної частини автомобіля та гордість за обраний фах.

1. У процесі розширення гази завдяки енергії палива, яке згоріло, виконують корисну механічну роботу - здійснюють робочий хід поршня. Звідси друга назва процесу - робочий хід.

У дійсному циклі процес розширення супроводжується такими фак-торами: теплообміном із стінками циліндра; витіканням газів крізь нещіль-ності поршневих кілець; тепловою дисоціацією газів.

На лінії розширення, як правило, догоряє робоча суміш, яка не встигла згоріти на лінії згоряння. Це явище більше виявляється у дизелях, ніж у ДВЗ з іскровим запалюванням. Внаслідок впливу перелічених факторів процес розширення відбувається не за адіабатою, а за полі- тропою із змінним показником п2.

Теплообмін між робочим тілом і стінками циліндра

На початку розширення під впливом догоряння тиск в циліндрі зменшується повільніше, тому показник політропи менший за показник адіабати (рис. 4.34).

У міру зменшення догоряння й зростання втрат теплоти в стінки циліндра, у днище поршня і в головку циліндра тиск знижується швидше і показник п2 стає більшим за показник адіабати. Для спрощення розрахунків береться середнє значення п2 і вважається, що воно стале.

Чим менший показник п2, тим пологіша політропа розширення

(рис. 4.35). Витікання газу, теплообмін із стінками циліндра і теплова дисоціація газів підвищують показник політропи, вона стає крутішою. Догоряння знижує його. У цілому вплив догоряння більший, тому показник п2 завжди менший від показника адіабати.

Рис. 4.34. Порівняння адіабати і

політропи розширення та їх

показників к і п2

Оцінку впливу різних факторів на значення показника п2 і на процес роз-ширення доцільно робити в залежності від впливу їх на догоряння. Так, коефіцієнт надміру повітря в дизелях при збільшенні α до значень α= 3...3,5 підвищує швидкість згоряння і тим самим зменшує догоряння, що приводить до росту п2 ■ V двигунах із іскровим запалюванням при збільшенні значень α від α = 1 швидкість згоряння зменшується, догоряння зростає, значення n2 знижується. Із зростанням частоти обертання колінчастого вала збільшується догоряння, і п2 зменшується. При зниженні навантаження у дизелі збільшується швидкість згоряння, зменшується догоряння суміші, внаслідок чого п2 збільшується. В бензиновому двигуні при зміні навантаження в протилежних напрямках діють два фактори: зменшення швидкості згоряння, яке приводить до збільшення догоряння, і збільшення відносних втрат теплоти у систему охолодження. Сукупна їх дія приводить до того, що зміна навантаження мало впливає на

п2.Значення показника політропи розширення п2 наведено у табл.4.4 Параметри процесу розширення

Тип двигуна п2 Рь. МПа Тb,K

Бензинові ДВЗ 1,23...1,30 0,35...0,5 1200... 1700

Дизелі 1,18...1,28 0,2...0,4 1000... 1250

Газові ДВЗ 1,25...1,35 0,4...0,6 1300... 1700

Газодизелі 1,20...1,28 0,2...0,4 970... 1250

Розрахунок процесу розширення

Мета розрахунку - визначення параметрів робочого тіла {рь,Ть) у кінці розширення, у точці Ь на діаграмі.

Тиск рь і температура Ть наприкінці розширення обчислюються за рівняннями політропи розширення:

Звідки для дизелів:

Відношення Уь/У2=д називається ступенем наступного розширення.

Для ДВЗ з іскровим запалюванням 8 = є, тому

Значення параметрів кінця розширення для сучасних автомобільних двигунів наведені в табл. 4.4.

У дизелів температура Ть менша, бо температура Т2 на початку розширення менша і відбувається більш глибоке розширення продуктів згоряння.

2. Потрібно, щоб випуск відбувався з найменшими втратами на його здійснення. Для цього в перший момент випуску відпрацьовані гази повинні витікати із найбільшою швидкістю. Тому випускний клапан починає відкриватися за 40...80° п.к.в. до в.м.т. (рис. 4.36, точка 3). Момент відкриття випускного клапана вибирають експериментально, щоб забезпечити найменшу втрату корисної площі індикаторної діаграми порівняно з розрахунковою (нескругленою).

На рис. 4.36 показано вплив моменту відкриття клапана на повноту індикаторної діаграми в ділянці початку ви

пуску. Видно, що перевагу має оптимальний момент відкриття клапана.

Закривається випускний клапан через 15...60° п.к.в. після в.м.т. (рис. 4.36, точка 4) для підвищення якості очищення циліндра за рахунок продування у період перекриття клапанів.

Розрізняють три стадії випуску.

1. Надкритична ділянка витікання. Тиск відпрацьованих газів у циліндрі ще високий. Швидкість витікання стала й дорівнює швидкості звуку у відпрацьованих газах (порядку 500...700 м/с) у залежності від температури газів.

2. Підкритична ділянка витікання. Швидкість витікання газів поступово зменшується в міру зниження тиску в циліндрі.

3. Виштовхування газів поршнем. Швидкість витікання визначається швидкістю поршня.

Рис. 4.36. Вплив моменту відкриття випускного клапана на індикаторну

діаграму: 3' - клапан відкривається рано;

3 - нормальний момент відкриття клапана; 3" - клапан відкривається пізно;

4 - закриття випускного клапана

Під час витікання відпрацьованих газів із великою швидкістю ство-рюється різкий шум. Тому на випускній трубі встановлюють глушник. Його опір повинен бути якомога менший, оскільки із збільшенням опору випускної системи підвищується тиск у циліндрі в період випуску, що приводить до зниження коефіцієнта наповнення (порівняйте рівняння (4.9) і (4.12)). Тиск на випуску підвищується й у ДВЗ з газотурбінним наддувом через додатковий опір, який створює газова турбіна. Але у цьому разі збільшення втрат випускної системи компенсується позитивним ефектом від застосування наддуву.

У випускній системі відбуваються різкі коливання тиску газів. У роз-рахунках для спрощення приймають середній тиск газів за процес випуску. Значення рг і Тг для автомобільних двигунів наведені в табл. 4.1.

Уточнені методи розрахунку процесу випуску приведені в науковій і навча-льній літературі [4-6].